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1、内容纲要,一、CAE与FEM二、CAE在汽车NVH方面的应用三、我研究生阶段的工作,一、CAE与FEM,1、CAE概念 Computer Aided Engineering,即计算机辅助工程。用计算机对工程和产品的功能、性能、安全可靠性等进行计算、分析、优化设计，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟仿真，以及早发现设计缺陷，改进和优化设计方案，证实未来工程/产品的各项性能是否达到设计指标。,CAE,FEM,BEM,SEA,MB,一、CAE与FEM,2、FEM概念 Finite Element Method,即有限单元法。是对物理现象（几何及载荷工况）的模拟，是对真实情况的数值近似。通过划分单元
2、，求解有限个数值来近似模拟真实环境的无限个未知量。,历史典故有限元法最早源于航空工程中飞机结构的矩阵分析。1965年，津基藏()等人将该法加以推广，宣布有限单元法适用于所有按变分形式进行计算的场问题，使有限元法得到广泛地推广和应用。,定义,一、CAE与FEM,真实系统,有限元模型,有限元模型 是真实系统理想化的数学抽象。,定义,一、CAE与FEM,节点:空间中的坐标位置，具有一定自由度和 存在相互物理作用。,单元:一组节点自由度间相互作用的数值、矩阵 描述（称为刚度或系数矩阵)。单元有线、面或实体以及二维或三维的单元等种类。,有限元模型由一些简单形状的单元组成，单元之间通过节点连接，并承受一定
3、载荷和约束。,约束,一、CAE与FEM,.,.,.,.,.,.,常用单元的形状,点(质量),线(弹簧，梁，杆，间隙),面(薄壳,二维实体,轴对称实体),线性,二次,体(三维实体),线性,二次,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,.,一、CAE与FEM,自由度(DOFs)用于描述一个物理场的响应特性。,结构 DOFs,ROTZ,UY,ROTY,UX,ROTX,UZ,定义,一、CAE与FEM,3、FEM计算思路,物体离散化,分析对象,机构，建筑，单个零件，机械系统，声场，电磁场,离散成各种单元组成的计算模型。连
4、续问题，变成离散问题；无限自由度问题，变成有限自由度问题。计算结果是实际情况的近似。,单元特性分析,选择位移模式分析单元的力学性质计算等效节点力,单元组集,求解未知节点位移,由分到合,利用平衡边界条件把各单元重新连接起来，形成整体有限元方程,一、CAE与FEM,4、CAE基本流程,前处理,分析计算,后处理,前处理：建模，单元选择和设置，材料定义，截面定义，网格划分等，添加边界条件等,分析计算：静力分析，接触分析，瞬态分析，模态分析，谐波分析，谱分析，声学分析，热分析，电磁场分析等,后处理：提取数据，数据运算，绘制曲线、云图，计算结果评价，导出数据等,一、CAE与FEM,建立模型：（有限元分析的
5、关键）,步骤：（1）抽象物理模型：静力学、动力学、声学等（2）几何模型：点、线、面、实体（3）有限元（边界元）模型具体化的、可视化、形象化的数学模型。,F,前处理过程,Objective,一、CAE与FEM,建模方法：实体建模和直接生成,对于庞大或复杂的模型，特别是对三维实体模型更合适。相对而言需要处理的数据少一些支持使用布尔运算以顺序建立模型便于使用优化设计功能能使用自适应网格划分便于进行局部网格细化便于改变单元类型,实体建模的缺点：,需要人工参与进行几何简化、清理和修改，使模型便于网格划分。对于小型、简单模型有时很繁琐，比直接生成需要更多的数据。在特定条件下可能会失败（程序不能生成有限元网
6、格）,实体建模的优点：,一、CAE与FEM,对小型或简单模型的生成较方便使分析人员能完全控制模型几何形状及每个节点和单元的编号,除最简单的模型外往往比较耗时不能用自适应网格划分使优化设计变得不方便改进网格划分十分困难划分网格过程中容易出错,直接生成的缺点：,直接生成的优点：,一、CAE与FEM,单元选择：,单元库,质量单元,弹簧单元,梁单元,壳单元,实体单元,流体单元,模拟对象,质量部件,弹性部件,杆、梁狭长件,薄壳部件,所有分析对象,空气、水,Mass21,Combin14,Beam4、Beam44、Beam188,Shell63、Shell163,Solid45、Solid92、Solid
7、95,合理选择,根据分析目标、对象几何特性、物理特性、精度要求、简化原则来合理选择,Objective,一、CAE与FEM,准则,在结构分析中，结构的应力状态决定单元类型的选择。选择维数最低的单元去获得预期的结果(尽量做到能选择点而不选择线，能选择线而不选择平面，能选择平面而不选择壳，能选择壳而不选择三维实体).对于复杂结构，应当考虑建立两个或者更多的不同复杂程度的模型。你可以建立简单模型，对结构承载状态或采用不同分析选项作实验性探讨。在许多情况下，相同的网格划分，采用更高阶类型的单元可以得到更好的计算结果，但计算时间会增加。,单元选择准则：,一、CAE与FEM,材料定义：弹性模量、密度、阻尼
8、截面定义：梁单元截面(标准和非标准)、壳单元截面。网格划分:根据分析问题的不同，分析对象的不同，分析精度要求的不同，网格划分的要求也不同。包括：自由划分和映射划分。网格类型：三角形、四边形、四面体、块（三菱柱和六面体）网格。评价指标：三角形 四边形,Element LengthInterior AngleAspect Ratio,Skew AngleWrap AngleChordal Deviation,一、CAE与FEM,网格类型的选择：针对平面或者三维壳体分析模型而言，四边形单元和三角形单元是有差别的，下表列出了这些差异。,一、CAE与FEM,实际工程中很少采用全三角形单元网格划分，给面进
9、行单元网格划分的实质问题是允许模型中哪些地方、存在多少三角形单元网格。实际上，各处存在三角形单元会相当麻烦，但是应当仔细思考下列问题:如果采用更高阶单元，三角形单元的计算精度接近于二次单元。所以，全部采用二次单元网格也是没有什么理由的。如果采用线性单元，三角形单元就十分糟糕-但是，不这样会使四边形单元网格扭曲。除了重要的结构外，大部分结构的网格划分允许包含少数三角形单元网格。,一、CAE与FEM,对三维实体分析模型而言，六面体单元和四面体单元是的差别如下表,一、CAE与FEM,建立三维实体模型需要作出下列选择：使用四面体单元划分网格采用简便方法建立实体模型。选用二次单元或者 p单元。或 者使用
10、块单元划分单元网格选用块单元网格建立实体模型。通常需要花费更多时间和精力。划分子区域连接处理延伸采用任何块单元。,一、CAE与FEM,单元尺寸的控制：单元尺寸越小，网格就越密，分析精度就越高，但分析时间也就越长，占用存储空间也越大。,缺省单元尺寸设置全局单元尺寸使用智能网格尺寸指定关键点附近的单元尺寸指定线上单元尺寸或划分数,Objective,一、CAE与FEM,添加边界条件：（有限元分析的难点）,在关键点处约束,几何模型,沿线均布的压力,在节点处约束,在节点加集中力,模拟实际工况对模型施加载荷和添加约束（可在几何模型或 FEM模型上添加载荷和约束）,Objective,一、CAE与FEM,
11、载荷分类,Objective,ANSYS中的载荷可分为:自由度DOF-定义节点的自由度（DOF）值(结构分析_位移、热分析_ 温度、电磁分析_磁势等)集中载荷-点载荷(结构分析_力、热分析_ 热导率、电磁分析_ magnetic current segments)面载荷-作用在表面的分布载荷(结构分析_压力、热分析_热对流、电磁分析_magnetic Maxwell surfaces等)体积载荷-作用在体积或场域内(热分析_ 体积膨胀、内生成热、电磁分析_ magnetic current density等)惯性载荷-结构质量或惯性引起的载荷(重力等),静力分析 用于求解静力载荷作用下结构的位
12、移和应力变化。包括线性和非线性分析。模态分析 用于计算结构的固有频率和模态。谱分析 是模态分析的扩展，用于计算由于随机振动引起的结构位移、应力和应变(也叫作 响应谱或 PSD).,分析计算（结构分析类型）,一、CAE与FEM,谐波分析 确定线性结构对随时间按正弦曲线变化的载荷的响应.瞬态分析 确定结构对随时间任意变化的载荷的响应.可以考虑与静力分析相同的结构非线性行为.屈曲分析 用于计算线性屈曲载荷并确定屈曲模态形状.(结合瞬态动力学分析可以实现非线性屈曲分析).专项分析 断裂分析,复合材料分析，疲劳分析,一、CAE与FEM,结果文件,结果数据,数据库,求解器,结果,输入数据,求解,一、CAE
13、与FEM,后处理阶段,提取数据任一工况下，任一节点或单元的位移、应力、应变等,数据运算若干组数据间的数学运算（加减乘除），数据的积分、微分、数乘等,绘制曲线,一、CAE与FEM,绘制云图,一、CAE与FEM,识别无效的分析结果调试可疑的分析结果误差估计,计算结果评价,导出数据,一、CAE与FEM,3、CAE软件结构分析用常用前后处理器：HyperMesh、MSC/PATRAN、FEMAP等机构分析软件：ADAMS隐式线性和非线性结构分析软件：ABAQUS、MSC/MARC、ANSYS、ADINA、MSC/NASTRAN、I-DEAS显式非线性结构分析软件：LS-DYNA、PAM-CRASH等,
14、一、CAE与FEM,计算流体力学分析软件：FLUENT、FIRE、SWIFT、FAME专业噪声音响分析软件：SYSNOISE、AutoSEA其他针对具体分析对象的分析软件：AWS(AVL),一、CAE与FEM,二、CAE在汽车NVH方面的应用,MTS应用实例,Idle Shake Prediction for 4 Cylinder Front Wheel Drive Vehicle,For 4 cylinder engine idle shake caused by second order engine firing exciting vehicle bending and steering
15、 column modes Forces are input to vehicle through engine mounts and suspensionFrequency range of response is typically between 20-30 Hz or 600-900 RPM,Idle Shake Phenomenon,Sub-System Contributions,High response levels can result from two sourcesHigh forces into the bodyEngine Excitation Engine Moun
16、t StiffnessBody DynamicsFrequency of body bending and steering column modesIdentify modes that produce highest response(A/F),Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance MetricsSteering wheel vertical and lateral accelerationCompare response to target levelsModelFE model of total vehicleSu
17、spension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffnessEngine as rigid elements with springs for mountsAnalysisLoad path analysis to quantify pathsMode shape analysis to identify contributing modesSub-system Design Recommendations,Baseline Idle Shake Response,Peak response at 735
18、 RPM(24 Hz)and 910 RPM(30.7 Hz)Response is above targetIdle speed range is between 700-900 RPM,Baseline,Target,Steering Column Vertical Response,Idle Speed Range,Idle Shake Solution Approach,Vehicle Level Performance MetricsSteering wheel vertical and lateral accelerationCompare response to target l
19、evelsModelFE model of total vehicleSuspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffnessEngine as rigid elements with springs for mountsAnalysisLoad path analysis to quantify pathsMode shape analysis to identify contributing modesSub-system Design Recommendations,Total Vehicl
20、e FE Model,Total vehicle model includes 32K elements and 30K nodesSteering column response predicted for 2nd EO unbalance force and torque fluctuationsEngine mount forces calculated for idle shake to identify load pathsIdentify modes contributing to response,Idle Shake Solution Approach,Vehicle Leve
21、l Performance MetricsSteering wheel vertical and lateral accelerationCompare response to target levelsModelFE model of total vehicleSuspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffnessEngine as rigid elements with springs for mountsAnalysisLoad path analysis to quantify path
22、sMode shape analysis to identify contributing modesSub-system Design Recommendations,Identify Important Load Paths,Response due to vertical engine mount forces is the largestRight Hand engine mount vertical and F/A forces produce the highest responseRH and FR mount forces produce 75%of responseReduc
23、e RH mount force and sensitivity of steering column response to vertical input at right mount,All Engine Mounts,RH Mt Fx+Fz,FR Mt Fx+RH Mt Fx+Fz,Steering Column Vertical Responsedue to Engine Mounts,Identify Contributing Modes,Minimum response between 1st bending and steering column vertical bending
24、 modeResponse is minimized by reducing body bending frequency and increasing steering column vertical bending modeAfter idle speed is set,tune steering column frequency to minimize response,Optimum Idle Speed,Steering Column Response,Body Bending Mode,All Modes,Steering ColumnBending,Idle Shake Solu
25、tion Approach,Vehicle Level Performance MetricsSteering wheel vertical and lateral accelerationCompare response to target levelsModelFE model of total vehicleSuspension model consists of rigid elements and springs for bushing stiffnessEngine as rigid elements with springs for mountsAnalysisLoad path
26、 analysis to quantify pathsMode shape analysis to identify contributing modesSub-system Design Recommendations,Steering Column Idle Shake,Baseline,Design Mod 1,Target,Design Mod 2,Design Mod 1-Reduce mount stiffness at FR and RH Mounts.Peak response is reduced by 50%at 750 RPM and 20%at 900 RPM by r
27、educing engine mount stiffnessDesign Mod 2-Increase stiffness of the steering column in addition to the reduction in engine mount stiffnessSteering column idle shake meets target at 750-860 RPM for DM 2,Idle Shake Design Guidelines,Optimum idle speed is between body bending and steering column bending modesIdle RPM should be at least 120 RPM(2 Hz)from fundamental modesIdentify engine mounts that cause large response and minimize mount stiffness at these mounts,
